La computadora cuántica Kane es una propuesta para una computadora cuántica escalable propuesta por Bruce Kane en 1998, [1] que entonces estaba en la Universidad de Nueva Gales del Sur . A menudo considerada como un híbrido entre computadoras cuánticas de puntos cuánticos y de resonancia magnética nuclear (RMN), la computadora Kane se basa en una matriz de átomos donantes de fósforo individuales incrustados en una red de silicio puro . Tanto los espines nucleares de los donantes como los espines de los electrones donantes participan en el cálculo.
A diferencia de muchos esquemas de computación cuántica, la computadora cuántica Kane es, en principio, escalable a un número arbitrario de qubits. Esto es posible porque los qubits pueden direccionarse individualmente por medios eléctricos.
Descripción
La propuesta original exige que los donantes de fósforo se coloquen en una matriz con un espaciado de 20 nm , aproximadamente 20 nm por debajo de la superficie. Se hace crecer una capa de óxido aislante sobre el silicio. Las puertas de metal A se depositan sobre el óxido por encima de cada donante y las puertas J entre los donantes adyacentes.
Los donantes de fósforo son 31 P isotópicamente puros , que tienen un espín nuclear de 1/2. El sustrato de silicio es 28 Si isotópicamente puro que tiene un espín nuclear 0. El uso del espín nuclear de los donantes P como método para codificar qubits tiene dos ventajas principales. En primer lugar, el estado tiene un tiempo de decoherencia extremadamente largo , quizás del orden de 10 18 segundos a temperaturas de milikelvin . En segundo lugar, los qubits pueden manipularse aplicando un campo magnético oscilante , como en las propuestas típicas de RMN. Al alterar el voltaje en las puertas A, debería ser posible alterar la frecuencia de Larmor de los donantes individuales. Esto permite que se aborden individualmente, haciendo que los donantes específicos entren en resonancia con el campo magnético oscilante aplicado.
Los espines nucleares por sí solos no interactuarán significativamente con otros espines nucleares a 20 nm de distancia. El espín nuclear es útil para realizar operaciones de un solo qubit, pero para hacer una computadora cuántica, también se requieren operaciones de dos qubit. Este es el papel del espín del electrón en este diseño. Bajo el control de la puerta A, el espín se transfiere del núcleo al electrón donante. Luego, se aplica un potencial a la puerta J, atrayendo electrones donantes adyacentes hacia una región común, mejorando en gran medida la interacción entre los espines vecinos. Controlando el voltaje de la puerta J, son posibles las operaciones de dos qubits.
La propuesta de Kane para la lectura era aplicar un campo eléctrico para estimular la tunelización dependiente del espín de un electrón para transformar dos donantes neutrales en un estado D + –D - , es decir, uno en el que dos electrones orbitan al mismo donante. Luego, el exceso de carga se detecta utilizando un transistor de un solo electrón . Este método tiene dos grandes dificultades. En primer lugar, la D - estado tiene fuerte acoplamiento con el medio ambiente y por lo tanto un tiempo de decoherencia corto. En segundo lugar y quizás más importante, no está claro que la D - estado tiene un tiempo suficientemente largo para permitir que toda la vida para la lectura-los túneles de electrones en la banda de conducción .
Desarrollo
Desde la propuesta de Kane, bajo la dirección de Robert Clark y ahora de Michelle Simmons , la búsqueda de la realización de la computadora cuántica Kane se ha convertido en el principal esfuerzo de computación cuántica en Australia . [2] Los teóricos han presentado una serie de propuestas para mejorar la lectura. Experimentalmente, la deposición de átomos de fósforo con precisión atómica se logró utilizando una técnica de microscopio de túnel de barrido (STM) en 2003. [3] También se ha logrado la detección del movimiento de electrones individuales entre grupos pequeños y densos de donantes de fósforo. El grupo sigue siendo optimista de que se pueda construir una computadora cuántica práctica a gran escala. Otros grupos creen que la idea debe modificarse. [4]
En 2020, Andrea Morello y otros demostraron que un núcleo de antimonio (con ocho estados de giro) incrustado en silicio podría controlarse mediante un campo eléctrico, en lugar de un campo magnético. [5]
Ver también
Referencias
- ^ Kane, BE (1998) " Una computadora cuántica de espín nuclear basada en silicio ", Nature , 393 , p133
- ^ Centro de tecnología de comunicación y computación cuántica
- ^ Schofield, SR Colocación atómicamente precisa de dopantes individuales en Si. arXiv : cond-mat / 0307599 2003
- ^ O'Gorman, J. Una computadora cuántica de código de superficie basada en silicio. arXiv : 1406.5149 2014
- ^ Cho, Adrian (11 de marzo de 2020). "El descubrimiento del azar acerca un paso más la computación cuántica utilizando microchips estándar" . Ciencia | AAAS . Consultado el 13 de marzo de 2020 .